山地風電場風機接地問題研究

李 翔

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

我國風電資源十分豐富。《中丹可再生能源發展項目中國可再生能源發展路線圖2050》顯示，我國的風能資源潛力在30億kW以上，其中陸上風電70 m高度的潛在開發量為26億kW，占比總開發潛力的86%以上。積極情景下，到2020、2030和2050年，我國風電累計裝機容量將分別達到3億kW、12億kW和20億kW，風電發電量將分別達到0.6萬億kW·h、2.4萬億kW. h和4萬億kW·h[1]。目前，為充分利用山地區域，我國山地風電場的規模急速上升，同時也面臨風機安裝地點常遇高雷暴天氣、土壤電阻率較高或土壤電阻率不均勻的問題。如何在這種情況下依然能夠滿足相關接地防雷標準要求進行設計與施工已成為目前山地風電場風機防雷接地設計中的重點。筆者對其進行了分析，旨在更好地發展我國的風電事業。

2 風電機組本體的防雷設計

高雷暴地區的雷暴發生概率遠大于普通地區。雷暴釋放的瞬時能量有可能造成風電機組葉片的損壞、發動機絕緣被擊穿、控制元件燒毀的嚴重后果。由于目前的風電機組為提高單機容量，其輪轂高度和葉輪直徑亦逐漸增加，相對而言遭到雷擊的概率也一同增加，因此，對于風電機組本體防雷設計的要求也越來越高。雷擊對風電機組造成的損害主要是雷擊產生的熱效應和機械效應，間接危害主要有雷電電磁感應效應和電涌過電壓效應。

為解決上述問題，風電機組本體的防雷設計主要需要完善直擊雷防護系統。該系統主要包括接閃系統和導雷系統，而其接閃系統主要包括葉片接閃系統和機艙接閃器。

(1)葉片接閃系統。葉片接閃系統由葉片雷電流接收器和葉片引下線組成。葉片接閃系統必須能夠承受IEC 61400-24中LPLⅠ(Lightning Protection Level)所規定的雷電流參數且葉片不能有結構上的損壞。在設計葉片時，需要考慮葉片在遭到直擊雷時葉片葉尖接閃器在旋轉的同時要如何才能夠準確地接閃。葉片引下線應敷設于葉片內部腹板上，其引下線分別與葉尖、葉身接收器和葉根法蘭可靠連接，葉片接閃器表面不允許出現油漆涂層，以確保其可以承受由于雷電引起的熱能、機械能、電動力等綜合效應。對于山地風電場往往都處于高雷暴區域的情況，風機葉片應考慮增加導雷條。

(2)機艙接閃器。通常，機艙頂部的氣象站支架上安裝有一個金屬接閃桿。接閃桿的保護范圍需覆蓋機艙尾部和機艙兩側，采用滾球法(最小半徑值為20 m)設計接閃桿的高度和保護范圍。對于機艙外帶有通風散熱裝置的風力發電機，應充分考慮該部分和機艙內金屬部件的等電位連接，使雷電流可以順暢傳遞。

針對導雷系統，目前國內外主流風機制造廠商設計的導雷系統有兩條路徑：一條為由葉片接閃系統開始的雷電流路徑，另一條為機艙接閃桿開始的雷電流路徑。葉片接閃系統雷電流路徑包括葉片法蘭、變槳軸承、輪轂、主軸、主機架、塔架、基礎接地以及相應的連接導體；機艙接閃桿雷電流路徑包括接閃桿、主機架、塔架、基礎接地以及相應的連接導體。

3 風電機組基礎接地設計

風電機組的接地系統是作為快速分散消潰雷電流和防止風電機組因雷擊而損壞的有效措施，同時也是保護地面人員人身安全的重要手段。風電機組基礎接地設計需要解決的問題主要有接地電阻問題、地網均壓問題、設備接地問題、接地線熱穩定問題、接地材料腐蝕問題等。筆者主要就接地電阻問題進行了分析。

從國內外權威風機防雷接地相關標準看，其普遍對于風機工頻接地電阻及沖擊接地電阻并無統一的明確要求(表1)。

表1 國內外主要規范對于風機基礎接地電阻相關要求表[2～6]

因此，目前我國風機基礎接地電阻的設計值和實際值均是在參考國內外主要標準的同時、以主流風機制造廠家的要求為準。如金風兆瓦機組防雷與接地系統設計手冊(陸地型)要求“(1)單臺機組的工頻接地電阻R<4 Ω；(2)單臺機組的工頻接地電阻R<10 Ω，此時，必須進行多機聯合接地，且聯合接地的工頻接地電阻R<4 Ω”；運達風力發電機組防雷設計規范要求“風力機組接地電阻小于4 Ω”；遠景能源風力發電機組的防雷與接地技術規范同樣要求“工頻接地電阻小于4 Ω”。

目前，風機接地網的設計一般采用擴大地網法、換土法、深井接地法、填充降阻劑或采用離子接地極等方法和措施。而面對山地風電場這類土壤電阻率較高、地形復雜的項目，主要還需采用合適面積的異形地網(風機平臺外形)、外延放射極、深井接地、填充降阻劑結合的方法才有可能滿足設計要求的接地電阻，其整體設計方案及施工較為復雜。

筆者以某山地風電場項目為例，該風電場各機位平均土壤電阻率為3 000 ～4 000 Ω·m，屬于高土壤電阻率地區。在接地網設置方面，設計院主要采用B型接地裝置(沿風機基礎周邊設置環形接地裝置，根據GB/T 21714.3—2015《雷電防護 第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險》，B型接地裝置可以是位于需保護建筑物外面且總長度的80%至少與土壤接觸的環形導體或基礎接地極構成的閉合環路，接地極可以是網狀。附加垂直接地極和水平接地極可以與環形接地極組合使用，接地極埋深至少為0.5 m)為主，輔以水平接地體(鍍鋅扁鋼)進行主接地網的設計。其中環形接地網總共為4個，1號水平接地環埋深為-0.8 m，2號和3號水平接地環埋深為-4 m，4號水平接地環位于塔筒底部+0.15 m處。除此之外，另外設計了2根貫穿風機基礎的十字水平接地體，且與環形接地網可靠焊接，埋深為-0.8 m。所有水平接地體均采用低電阻率的黏土回填并加水夯實。整個接地系統共采用8根、3 m長的垂直接地極(鍍鋅鋼管)分散敷設，各接地極周圍回填電阻率不大于5 Ω·m的物理降阻劑。風機基礎接地環網與箱變基礎接地環網應連接在一起，接地引出線方向根據箱變位置確定，連接引線不少于2根。其具體做法見圖1、2。

圖1 風機基礎接地平面布置圖

圖2 風機基礎接地剖面布置圖

按照上述做法施工后，應記錄下單臺機組接地網實測接地電阻值，其應不大于4 Ω。針對高土壤電阻率的風電場，在一般平臺區域碎石較多，按照DL/T 475-2017 《接地裝置特性參數測量導則》的規定，在土壤電阻率較高的地區，測量時為了降低電流極接觸電阻帶來的較大誤差，應在電流極的位置用鹽水澆灌或增加電流極根數用以降低誤差。如采用直線法，隨著電流極的移動，接地電阻變化較大，按照規范要求，連續按5%的電流極與接地網距離間隔移動3次，如接地網電阻變化小于5%則可認為所測接地電阻基本與實際接地電阻一致(此條在實際測量中務必執行)。如未達到要求，則需采取相近風機接地網外引互聯，必要時各風機位需采取深井接地方案，或采用離子接地極、高效接地模塊等材料，直至單臺風機工頻接地電阻降至4 Ω以下。

4 結 語

我國的山地風電場大多面臨雷暴天數較多、土壤電阻率高、接地土質條件差的問題，如不針對風電機組本體及基礎接地進行有的放矢的設計，很有可能會對設備運行、人身安全及項目經濟效益造成不可估量的傷害。因此，如何在技術和經濟合理的情況下最大程度地滿足山地風電場安全運行的問題也越來越受到各方面的關注。筆者在文中對面臨高雷暴、高土壤電阻率問題的山地風電場風機接地問題進行了分析，旨在與同行探討交流，為類似工況的風電場防雷接地設計提供參考與借鑒。